活性水降低工作面瓦斯涌出強度試驗研究

徐星華，　楊嘉怡，　楊韶昆

(1.安陽市主焦煤業有限責任公司， 河南 安陽　455141； 2.河南工業大學 科學技術處， 河南 鄭州　450001；

3.河南理工大學 經濟管理學院， 河南 焦作　454000； 4.河南理工大學 能源工程學院， 河南 焦作　454000)

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活性水降低工作面瓦斯涌出強度試驗研究

徐星華1，楊嘉怡2，3，楊韶昆4

(1.安陽市主焦煤業有限責任公司， 河南 安陽455141； 2.河南工業大學 科學技術處， 河南 鄭州450001；

3.河南理工大學 經濟管理學院， 河南 焦作454000； 4.河南理工大學 能源工程學院， 河南 焦作454000)

摘要：為了解決采掘工作面瓦斯超限問題，根據采掘工作面落煤中的瓦斯壓力和暴露時間關系，在實驗室采用甲烷吸附-解吸裝置進行了顆粒煤的前置浸入與后置浸入活性水與純水2種狀態下的瓦斯吸附-解吸對比試驗，并在某煤礦井下3個掘進工作面落煤中進行了噴灑活性水與純水的瓦斯解吸對比試驗。結果表明，活性水對顆粒煤前置浸入與后置浸入均具有相同的抑制瓦斯解吸作用；在掘進工作面落煤中噴灑活性水，其瓦斯解吸量相比純水可降低53.56%～54.76%，初期最大瓦斯涌出速度可降低54.42%～71.29%；在低水壓、大流量條件下注入或噴灑活性水比純水更有利于延緩和降低瓦斯涌出。

關鍵詞：工作面瓦斯涌出； 瓦斯吸附與解吸； 表面活性劑； 活性水

網絡出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20160405.1129.010.html

0引言

煤層注水防塵、防自然發火、防治煤與瓦斯和沖擊地壓已在中國煤礦得到廣泛應用。理論與實踐表明，只有當煤體中水分達到4%以上才能起到防治瓦斯作用。實際應用中，由于煤的表面自由能較低、透水性較差，使得煤體難以均勻潤濕，很難達到預期效果。為了有效提高對煤體的濕潤能力，許多學者對水中添加表面活性劑降低瓦斯涌出強度進行了探索試驗。朱鍇[1]、張曉宇[2]選取了安陽鑫龍紅嶺礦等5個不同地區的煤樣，按照前置浸入方法，進行了噴灑表面活性劑溶液和純水的原煤樣瓦斯吸附-解吸量試驗，認為表面活性劑溶液能較大幅度地降低瓦斯解吸量，起到封堵作用。程五一等[3]按照前置浸入方法，進行了噴灑表面活性劑溶液和純水的原煤樣瓦斯吸附-解吸量試驗，試驗表明顆粒原煤經噴灑表面活性劑溶液后，瓦斯涌出量可降低10%～40%。陳紹杰等[4]利用自制的吸附-注水-解吸試驗裝置，將原煤加壓制作成圓柱形煤樣，按照后置浸入方法，開展了成型煤注入表面活性劑溶液和純水的瓦斯吸附-解吸量試驗，得出了成型煤樣注入表面活性劑溶液比注入純水時瓦斯解吸量小的結論。現有研究一方面僅限于實驗室內通過解吸試驗進行純水與活性水溶液抑制瓦斯涌出的對比定性分析[5-6]，沒有緊密結合采掘工作面落煤的客觀實際，深入探討瓦斯壓力、含水率與瓦斯解吸量三者的定量關系，缺乏對現場應用的理論指導性；另一方面僅限于在實驗室內進行瓦斯解吸對比試驗，沒有將試驗結果應用到采掘工作面進行考察驗證，缺乏與現場實際相結合的實踐性。鑒此，筆者緊密結合采掘工作面落煤的客觀條件，通過自主研發的瓦斯等溫吸附-解吸試驗裝置，在實驗室對比考察了純水與活性水對顆粒煤的前置浸入與后置浸入2種狀態下的瓦斯吸附-解吸效應，對比考察了不同瓦斯壓力、不同含水率與瓦斯解吸量之間的定量關系，得到了活性水比純水能夠更加有效地降低和延緩瓦斯涌出的理論依據，并在安陽市主焦煤業公司3個綜掘工作面進行了現場對比驗證，得出了在掘進工作面落煤中噴灑活性水比純水能夠更有效降低和延緩瓦斯涌出的結論。

1實驗室對比試驗

1.1試驗目的

為了更加真實地模擬考察純水和活性水抑制工作面落煤的瓦斯涌出效果，本文在實驗室對比分析了顆粒煤注入純水和活性水后的瓦斯吸附-解吸試驗。試驗中選擇城市自來水與0.2%的十二烷基苯磺酸鈉(SDBS)+0.1%的無水硫酸鈉(Na2SO4)復配的活性水作為注水介質。試驗設定的瓦斯吸附壓力和解吸時間盡量接近工作面落煤的瓦斯壓力和停留時間。設定的瓦斯吸附平衡壓力均低于突出煤層的極限壓力0.74 MPa，瓦斯解吸時間為60 min(相當于煤炭自采落到運出工作面所用的時間)。

1.2試驗裝置與方法

(1) 煤樣制備。為使試驗結果具有可比性，試驗煤樣均同時取自安陽市主焦煤業公司埋深500 m左右的二1煤層。在采掘工作面采集新鮮暴露大塊煤樣，經過實驗室混合破碎、篩分，選取粒度為0.5，0.25，0.2 mm的顆粒煤，按2∶1∶1進行配比混合均勻后作為試驗煤樣。然后利用紅外干燥箱，在105 ℃下持續干燥顆粒煤24 h，直至質量不再變化。試驗中每一個裝罐煤樣均為干燥后的混合顆粒煤200 g。

(2) 活性水溶液制備。試驗前，按照煤樣設定的含水率和濃度，按比例分別用分度值為0.1 mg的光學讀數分析天平稱量純水和表面活性劑，將稱量好的試劑倒入干燥容器中，然后加入稱量的純水攪拌，配制到所需濃度。每次配制的溶液量大于試驗用量的2倍。

(3) 試驗裝置。經過自主研發，在實驗室建立了煤樣瓦斯等溫吸附-解吸試驗裝置。該裝置主要由充氣系統、瓦斯吸附-解吸系統、低壓注水系統、恒溫水浴系統和抽真空系統組成，如圖1所示。各部件之間通過DN15鋼管連接，試驗前進行嚴格的氣密性檢查，瓦斯吸附-解吸系統中吸附罐、充氣罐及管線的自由體積事先進行了標定。選用600 mL充氣罐、1 000 mL煤樣罐、YB-150型0.25級精密氣壓表、MD-3瓦斯解吸儀(解吸精度為2 mL)。抽真空系統的真空計最低真空為0.1 Pa，真空泵極限壓力不大于0.02 Pa。低壓注水系統采用SB-10型注水泵，最大加壓1 MPa。恒溫水浴系統控溫精度為±0.05 ℃。氣體流量計選用VNSBL型煤氣流量計，現場液晶顯示瞬時流量和累計流量，精度等級為0.01級。液體流量計選用VNLUGB型水流量計，液晶顯示瞬時流量和累計流量，精度等級為0.01級。氣體流量計和液體流量計公稱壓力為0～4 MPa，流量范圍均為0.01～100 m3/h，并可進行遠程控制。

圖1　煤樣瓦斯等溫吸附-解吸試驗裝置結構

(4) 試驗方法。按照水與瓦斯進入煤體的先后順序不同，設計了前置浸入和后置浸入2種試驗方案，即煤樣吸附瓦斯前注水為前置浸入試驗，煤樣吸附瓦斯后注水為后置浸入試驗。

根據試驗方案，分別進行了顆粒煤的前置浸入和后置浸入2種狀態下，不同瓦斯吸附平衡壓力、不同含水率、不同注水壓力條件下的瓦斯吸附-解吸試驗，共進行了2批21組39個煤樣的測試。根據采掘工作面的實際情況，每批試驗設定3個瓦斯吸附平衡壓力，分別為0.3，0.5，0.7 MPa，每個壓力條件下的試驗按照顆粒煤的含水率為2%，4%，6%又分成3組。每組煤樣試驗均在相同瓦斯吸附壓力、相同含水率下進行，以對比考察相同條件下顆粒煤注入純水和活性水后的瓦斯解吸效應。試驗均在25 ℃恒溫條件下進行。

第一批(后置浸入)試驗步驟：① 用分析天平按照設定重量稱取烘干冷卻后的顆粒煤樣放入煤樣罐中，然后連接管路進行氣密性檢查后關閉所有截止閥。打開抽真空系統截止閥5、截止閥6進行煤樣抽真空脫氣，觀察氣壓表讀數，當真空壓力降至20 Pa以下時關閉截止閥5，完成煤樣抽真空脫氣。② 打開充氣系統卸壓閥1、截止閥2，關閉截止閥3，向充氣罐內充入體積分數為99.99%的甲烷，觀察氣壓表讀數，當氣壓表讀數達到事先設定的瓦斯吸附平衡壓力時立即關閉卸壓閥1，然后打開截止閥3、截止閥4，向煤樣罐中充入甲烷氣體，觀察氣壓表和氣體流量計的讀數，當氣壓表讀數低于設定的瓦斯吸附壓力時，繼續重復上述過程，直至瓦斯壓力值30 min內變化小于0.001 MPa時，記錄瓦斯吸附量，保持吸附平衡時間不少于24 h。③ 關閉瓦斯吸附平衡系統，將稱量好的純水或配制的活性水倒入干燥容器中。然后關閉截止閥7，打開注水泵和截止閥8，觀察水壓表讀數，當水壓表讀數上升到設定的注水壓力時，打開截止閥7，觀察液體流量計累計流量。當液體流量計的讀數達到設定的注水量時，立即關閉截止閥8并保持24 h。④ 連接煤樣罐與解吸裝置進行常壓解吸，解吸時間為60 min。記錄室溫和大氣壓力，將實測瓦斯解吸量換算成標準狀態下的體積。

第二批(前置浸入)試驗步驟：① 用分析天平按照煤樣事先設定的含水率和濃度，稱量烘干冷卻后的顆粒煤樣質量以及純水或配制好的活性水質量。② 將顆粒煤樣放入煤樣罐中，倒入純水或配制好的活性水，密閉煤樣罐的封口蓋，連接管路進行氣密性檢查后關閉所有截止閥。③ 重復第一批試驗中的抽真空和瓦斯吸附平衡與解吸步驟。④ 設定解吸時間為60 min，并記錄常壓解吸時的室溫和大氣壓力，將實測瓦斯解吸量換算成標準狀態下的體積。

1.3試驗結果分析

2批瓦斯吸附-解吸試驗結果見表1、表2。

對比表1、表2可知：

(1) 無論是前置浸入還是后置浸入，在相同試驗條件和相同解吸時間內，注純水煤樣的瓦斯解吸量均比注活性水煤樣的瓦斯解吸量大。前置浸入與后置浸入活性水對顆粒煤的瓦斯解吸量影響不大，即在瓦斯吸附壓力、含水率相同的條件下，無論是自然吸水(前置浸入)還是低壓注水(后置浸入)，顆粒煤的瓦斯解吸量或解吸率基本相近，說明對于含瓦斯煤體來說，超前注入活性水或滯后噴灑活性水，對煤體具有相同的抑制瓦斯涌出作用。

(2) 從瓦斯壓力上看，吸附平衡壓力對煤樣的瓦斯吸附量影響較大，無論是干燥或濕潤的顆粒煤，瓦斯吸附量均隨著吸附平衡壓力的增大而增大。在同一瓦斯吸附平衡壓力下，浸入活性水的顆粒煤的瓦斯解吸量均比浸入純水的顆粒煤的瓦斯吸附量小，說明活性水濕潤煤體后，水分子更加有效地進入到煤樣的細微孔隙，占據了瓦斯的吸附空間，有效減小了顆粒煤的瓦斯吸附量。

(3) 從含水率上看，顆粒煤的含水率對瓦斯解吸量影響較大，即顆粒煤的瓦斯解吸量隨著含水率增大而減小。在同一瓦斯吸附平衡壓力下，含水率較高的顆粒煤的瓦斯解吸量均比含水率較低的顆粒煤的瓦斯解吸量明顯減少。增大活性水的注入量對封堵顆粒煤的瓦斯釋放作用明顯，更有利于降低或延緩顆粒煤的瓦斯涌出。對比顆粒煤浸入純水與活性水后的瓦斯解吸量下降幅度后發現，當注水壓力為0.6 Mpa、含水率為6%時，浸入活性水比純水時瓦斯解吸量下降幅度最為顯著，為55.3%，說明采取大水量、低水壓注入活性水更加有利于降低顆粒煤的瓦斯解吸強度。

表1　第一批(后置浸入)試驗結果

2現場對比試驗

由于采掘工作面落煤的瓦斯涌出既無瓦斯補給源，又不受礦壓控制[7]，所以在瓦斯涌出衰減過程中無較大波動，其涌出強度僅與落煤的停留時間和煤體內的瓦斯壓力或含量有關。因此，現場試驗中采用瓦斯含量法來對比考察噴灑活性水與純水后落煤中的瓦斯解吸效應，以評價活性水抑制落煤中的瓦斯涌出效果。

2.1試驗地點

試驗地點選擇在安陽市主焦煤業公司22101運輸巷、22602回風巷、22602運輸巷3個綜掘工作面，取樣地點均選擇在巷道施工到煤層厚度穩定區域。現場試驗均選擇0.2%的十二烷基苯磺酸鈉(SDBS)+0.1%的無水硫酸鈉(Na2SO4)復配的活性水和礦用地下水作為噴灑介質。

2.2試驗方法

首先在掘進機頭部安裝噴淋裝置，在掘進機尾部放置2個容積為100 L的鐵皮桶，并安裝BQS140-100/5-75下吸式大流量礦用潛水泵構成臨時噴淋系統。試驗中，根據單刀掘煤質量按照6%的含水率計算出一次性噴灑溶液的質量。每進刀一次采集一個煤樣，每個掘進工作面連續推進3刀，采集3個噴灑不同介質的煤樣。第一次進刀時關閉噴淋裝置，直接采集掘進原煤作為試驗煤樣；第二次進刀時打開噴淋裝置，向落煤中直接噴灑純水，采集噴灑純水后的落煤作為試驗煤樣；第三次進刀時，向落煤直接噴灑活性水，采集噴灑活性水后的落煤作為試驗煤樣。為了使研究結果更加符合實際情況，現場采集煤樣時，對煤樣粒度不加分選，直接將落煤裝入煤樣罐中，利用MD-3瓦斯解吸儀進行瓦斯解吸測定。解吸測定時間為60 min。為了減少煤樣裝罐前的瓦斯損失，從落煤到裝罐密封時間控制在5 min內。為了更好顯示對比效果，試驗中采用質量為2 kg以上的大劑量煤樣。

2.3試驗結果分析

每個工作面采集3個煤樣，共采集9個煤樣。經現場瓦斯解吸測定，結果見表3；將測定結果繪制成柱狀圖，如圖2所示。

表2　第二批(前置浸入)試驗結果

(a) 22101運輸巷

(b) 22602回風巷

(c) 22602運輸巷

從圖2可看出，在工作面落煤中噴灑活性水比噴灑純水對顆粒煤的瓦斯解吸量和解吸速度的影響更大。噴灑活性水比噴灑純水的煤樣瓦斯解吸量在60 min內可降低53.56%～54.76%，初期最大瓦斯涌出速度可降低54.42%～71.29%。現場試驗結果充分說明，在井下掘進工作面噴淋系統中加入活性水更加有利于延緩落煤中的瓦斯涌出，從而有利于避免掘進工作面瓦斯超限。

3結論

(1) 由于落煤的瓦斯涌出是工作面瓦斯超限的主要瞬間來源，根據對采掘工作面瓦斯涌出來源的統計可知，落煤釋放的瓦斯往往占工作面瓦斯總量的30%～50%，是造成工作面瓦斯超限的主要原因，且瓦斯超限的高發期一般發生在煤從煤壁采落后的0～20 min內。因此，根據試驗所獲得的活性水比純水能夠更加有效地降低瓦斯解吸量和延緩瓦斯釋放速度的結論，可以在采掘工作面推廣噴灑活性水降低瓦斯涌出強度技術措施，以防止工作面瓦斯超限。

(2) 根據實驗室試驗結果可知，高含水率、低壓注入或噴灑活性水更加有利于降低顆粒煤的瓦斯涌出強度。工程應用中，可以在工作面采取超前大流量、低壓注入或噴灑活性水的方法來降低或延緩工作面落煤的瓦斯涌出強度。

表3　原煤、噴灑純水、噴灑活性水60 min內的瓦斯解吸量測定結果

(3) 顆粒煤前置浸入或后置浸入活性水，在相同時間內的瓦斯解吸量相近，具有相同的抑制瓦斯涌出效果。工程應用中，可根據現場實際情況分別采取超前工作面注入活性水或滯后落煤中噴灑活性水來防治工作面瓦斯涌出。

參考文獻：

[1]朱鍇.表面活性劑降低瓦斯涌出的實驗研究[D].北京：中國地質大學，2010.

[2]張曉宇.表面活性劑濕潤煤體的研究[D].北京:中國地質大學，2010.

[3]程五一，裴晶晶，朱鍇.表面活性劑降低顆粒煤瓦斯涌出量初步實驗研究[J].華北科技學院學報，2007，4(4):1-5.

[4]陳紹杰，金龍哲，陳學習，等.添加表面活性劑注水對煤體解吸瓦斯的影響分析[J].礦業安全與環保，2013，40(6):12-14.

[5]吳超，古德生．Na2SO4改善陰離子表面活性劑濕潤煤塵性能的研究[J]．安全與環境學報，2001，1(2)：45-48.

[6]張國華，梁冰．滲透劑溶液侵入對瓦斯解吸速度影響實驗研究[J].中國礦業大學學報，2012，41(2):200-204．

[7]屈世甲.礦井工作面突出危險性與瓦斯涌出特征回歸分析的研究[J].工礦自動化，2015,41(5)：74-77.

Experimental study on decrease of gas gush strength led by active water

XU Xinghua1，YANG Jiayi2,3,YANG Shaokun4

(1.Anyang Main Coke Coal Mining Co., Ltd., Anyang 455141, China; 2.Science and Technology

Department， Henan University of Technology, Zhengzhou 450001, China; 3.School of Economics and

Management, Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454000, China; 4.School of Energy Science and

Engineering, Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454000, China)

Abstract:To solve gas overload problem in mining face, the relationship between gas pressure and exposure time in falling coal of mining face was analyzed. A series of methane absorption-degradation comparison experiments on immersed coal particles praevia and rear in active water and pure water were carried out by use of a methane absorption-degradation equipment in laboratory. Follow on, comparison experiments on methane desorption by spraying active water and pure water were carried out in falling coal of three driving faces in a coal mine. In conclusion, active water has the same gas desorption effect on both praevia and rear immersed coal particles. By spraying active water solution in falling coal of driving face, the methane desorption degree can be reduced 53.56%-54.76% than that of pure water. And the maximum gas inrush velocity in the beginning decreases 54.42%-71.29% than that of pure water. It is found that injecting or spraying active water under low pressure and high flow conditions is even conducive to postpone gas gush and decrease gush strength.

Key words:gas gush in mining face; methane absorption and desorption; surfactant; active water

作者簡介：徐星華(1967-)，男，河南南陽人，工程師，現從事煤礦生產與安全管理工作，E-mail：pdsxxh@yeah.net。

基金項目：國家重點基礎研究發展計劃“973”項目(2006CB202204)；國家自然科學基金資助項目(51274090150974056)。

收稿日期：2015-11-10；修回日期：2016-03-16；責任編輯：李明。

中圖分類號：TD712

文獻標志碼：A網絡出版時間：2016-04-05 11:29

文章編號：1671-251X(2016)04-0041-06

DOI:10.13272/j.issn.1671-251x.2016.04.010

徐星華，楊嘉怡，楊韶昆.活性水降低工作面瓦斯涌出強度試驗研究[J].工礦自動化，2016,42(4)：41-46.